1、化学工业出版社化学工业出版社 化工仪表及自动化化工仪表及自动化第一章第一章 检测仪表基本知识检测仪表基本知识 化学工业出版社化学工业出版社 n 内容提要内容提要n 测量过程与测量误差测量过程与测量误差n 测量仪表的品质指标测量仪表的品质指标n 测量系统中的常见信号类型测量系统中的常见信号类型n 检测系统中信号的传递形式检测系统中信号的传递形式n 检测仪表与测量方法的分类检测仪表与测量方法的分类n 化工检测的发展趋势化工检测的发展趋势1化学工业出版社化学工业出版社 n 测量过程与测量误差测量过程与测量误差测量测量是用实验的方法,求出某个量的大小。 abS 举例通过直接测量矩形的长宽a、b，间接测
2、取面积s直接测量直接测量间接测量间接测量测量实质：测量实质：是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。 2间接测量：通过测量与被测量有函数关系的其他量，才能得到被测量值的测量方法。化学工业出版社化学工业出版社 n 测量过程与测量误差测量过程与测量误差测量误差：测量误差：由仪表读得的被测值 (测量值)与被测参数的真实值之间的差距。 测量误差按其测量误差按其产生原因产生原因的不同的不同, ,可以分为三类：可以分为三类：系统误差：规律误差 偶然误差：随机误差疏忽误差：人为3前两者无法消除，前两者无法消除，只能减小。后者可只能减小。后者可以消除以消除化学工业出版社化学工业出版社 n 测量过程与测量
3、误差测量过程与测量误差绝对误差ttIxxxxxxx或000tIxx xI：仪表指示值, xt：被测量的真值0 xx由于真值无法得到 x：被校表的读数值，x0 ：标准表的读数值 相对误差4化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标5说明：说明：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值max。 两大影响因素绝对误差和仪表的标尺范围化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标%100max标尺下限值标尺上限值%100标尺下限值标尺上限值差值仪表允许的最大绝对
4、误允6化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标 仪表的允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“”号及“”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。小结小结7化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标%8 . 0%10020070048举例例1-1某台测温仪表的测温范围为200700，校验该表时得到的最大绝对误差为4，试确定该仪表的相对百分误差与准确度等级。 解解 该
5、仪表的相对百分误差为 如果将该仪表的去掉“”号与“”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。 化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标9仪表的准确度等级仪表的准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 准确度等级数值越小，就表征该仪表的准确度等级越高，仪表的准确度越高。工业现场用的测量仪表，其准确度大多在0.5级以下。 仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。举例举例1.51.0如：化学工业出版社化学
6、工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标注意注意 在工业上应用时,对检测仪表准确度的要求,应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定,这样才能保证生产的经济性和合理性。 10化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标%100标尺下限值标尺上限值最大绝对差值变差 变差变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的差值。 图1-1 测量仪表的变差11化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的
7、品质指标检测仪表的品质指标12 仪表的灵敏度仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即xS 式中，S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；x为引起所需的被测参数变化量。 仪表的灵敏限仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。 注意：注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨率表示。往往用分辨率表示。 化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标13 反应时间反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映
8、出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。 仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。 仪表的反应时间有不同的表示方法 当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。 仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的95所用的时间，可用来表示反应时间。化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标%100max仪表量程ff14 线性度线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。 图1-2 线性度示意图 式
9、中式中，f为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。 化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表的品质指标检测仪表的品质指标 重复性重复性表示检测仪表在被测参数按同一方向同一方向作全量程连续多次变动时所得标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致,重复性就好,重复性误差就小。重复性就是指这3条曲线在同一输人值处的离散程度。实际上，某种仪表的重复性常选用上升曲线的最大离散程度和下降曲线的最大离散程度中的最大值来表示。 图1-3 重复性示意图%100max仪表量程ZZ15化学工业出版社化学工业出版社 n 化学工业出版社化学工业出版社 n n
10、在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输人值进行侧在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输人值进行侧量所得的多个输出值之间相互一致的程度称为仪表的重复量所得的多个输出值之间相互一致的程度称为仪表的重复性，它不包括性，它不包括滞环滞环和和死区死区。n 再现性包括滞环和死区，它是仪表实际上升曲线和实际下再现性包括滞环和死区，它是仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示。最大点的值来表示。n 重复性是衡量仪表不受随机因素影响的能力，再现性是仪重复性是衡量仪表不受随机因素影响的能力，再现性是仪表性能稳定
11、的一种标志，因而在评价某种仪表的性能时常表性能稳定的一种标志，因而在评价某种仪表的性能时常同时要求其重复性和再现性。重复性和再现性优良的仪表同时要求其重复性和再现性。重复性和再现性优良的仪表并不一定精度高，但高精度的优质仪表一定有很好的重复并不一定精度高，但高精度的优质仪表一定有很好的重复性和再现性性和再现性. 化学工业出版社化学工业出版社 n 检测系统中的常见信号类型检测系统中的常见信号类型作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型种便于传输和显示的信号类型1.位移信号2.压力信号3.电气信号4.光信号16化
12、学工业出版社化学工业出版社 n 检测系统中信号的传递形式检测系统中信号的传递形式 在时间上是连续变化的, 即在任何瞬时都可以确定其数值的信号。 数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号,通常用二进制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。 用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。17化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表与测量方法的分类检测仪表与测量方法的分类 依据的不同,可分成压力 (包括差压、负压)检测仪表、流量检测仪表、物位 (液位)检测仪表、温度检测仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。按的方式不同,可分成指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等。按的不同,可分为实用仪表、
13、范型仪表和标准仪表,分别使用在现场、实验室和标定室。 18化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表与测量方法的分类检测仪表与测量方法的分类按照测量结果的获得过程 直接测量 间接测量 19化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表与测量方法的分类检测仪表与测量方法的分类 （1 1）直接测量）直接测量 利用经过标定的仪表对被测参数进行测量，直接从显示结果获得被测参数的具体数值的测量方法。 根据被测参数获得方式的不同，直接测量又有偏差法（用仪表指针的位移即偏差决定被测量）与平衡法（即零位法，在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量。）之分。 除此之外,还有一种将平衡法与偏差法结合起来的微
14、差微差法法 20化学工业出版社化学工业出版社 n 检测仪表与测量方法的分类检测仪表与测量方法的分类（2 2）间接测量）间接测量 当被测量不宜直接测量时,可以通过测量与被测量有关的几个相关量后,再经过计算来确定被测量的大小。 21化学工业出版社化学工业出版社 n 化工检测的发展趋势化工检测的发展趋势 1. 1.检测技术的现代化检测技术的现代化 2. 2.检测仪表的集成化、数字化、智能化检测仪表的集成化、数字化、智能化 3.3.软测量技术和虚拟仪器软测量技术和虚拟仪器22化学工业出版社化学工业出版社 n 什么是软测量技术什么是软测量技术n 基于多个可测变量的实时测量值，应用数学模型去估计某基于多个
15、可测变量的实时测量值，应用数学模型去估计某种没有直接测量的变量的值。种没有直接测量的变量的值。n 又称多传感器的信息融合。又称多传感器的信息融合。n 数学模型是指多个可测变量与被估计量间的相关关系。例数学模型是指多个可测变量与被估计量间的相关关系。例如机理数学模型、数理统计方法建立的统计数学模型、神如机理数学模型、数理统计方法建立的统计数学模型、神经元网络模型、多种方法结合的模型。经元网络模型、多种方法结合的模型。n 软测量用以解决生产过程无法直接测量或直接测量困难的软测量用以解决生产过程无法直接测量或直接测量困难的关键变量的估计问题。关键变量的估计问题。化学工业出版社化学工业出版社 n 虚拟
16、仪器虚拟仪器n 虚拟仪器技术虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的活的软件软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW（图形化系统设计软件图形化系统设计软件）图形化开发工具用）图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使
17、用使用集成化集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。何项目需要。化学工业出版社化学工业出版社 n n 美国美国国家仪器公司国家仪器公司(NI)在在20世纪世纪80年代最早提出虚拟仪器年代最早提出虚拟仪器(VirtualInstrument，简称，简称VI)的概念。其核心的思想是利用计算机的的概念。其核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要
18、硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。统成本，增强系统功能与灵活性。 虚拟仪器，就是在以通用计算机虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用或仪器设计中尽可能地用软件软件代替硬件，即代替硬件，即“软件就是仪器软件就是仪器”。虚拟虚拟仪器的基本构成包括计算机、
19、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。用户用户可以通过友好的图形界面可以通过友好的图形界面(这里称作虚拟前面板这里称作虚拟前面板)操作计算机，如同操操作计算机，如同操作功能相同的单台传统仪器一样。作功能相同的单台传统仪器一样。 在以在以PC计算机为核心组成的硬计算机为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，件平台支持下，虚拟仪器通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。虚拟仪器采用的开发平台虚拟仪器采
20、用的开发平台LabVIEW现在已经成为行业标准的测试测现在已经成为行业标准的测试测量软件平台。量软件平台。LabVIEW软件为不同领域的工程师简化了各种技术融软件为不同领域的工程师简化了各种技术融合的复杂性，帮助工程师通过同一个软件平台，在第一时间内运用最合的复杂性，帮助工程师通过同一个软件平台，在第一时间内运用最先进的主流商业技术，加快先进的主流商业技术，加快工作效率工作效率化学工业出版社化学工业出版社 n n 美国美国国家仪器公司国家仪器公司NI（National Instruments）提出的）提出的虚拟测量仪器（虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重）概念，引发了传统仪器
21、领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了和仪器技术结合起来，从而开创了“软件软件即是仪器即是仪器”的先的先河。河。 n “软件即是仪器软件即是仪器”这是这是NI公司提出的虚拟仪器理念的公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器。部件来构建虚拟仪器。I/O部件可以是独立仪器、模块部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（化仪器、数据采集板（DAQ）或）或传感器传感器。NI所拥有的虚所拥有的
22、虚拟仪器产品包括软件产品（如拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、）、GPIB产品、产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品产品和和VXI控制产品等控制产品等.化学工业出版社化学工业出版社 n n GPIB（General-Purpose Interface Bus）-通用接口总通用接口总线，大多数打印机就是通过线，大多数打印机就是通过GPIB线以及线以及GPIB接口与电脑接口与电脑相连。相连。 n DSP（digital signal processor）是一种独特的）是一种独特的微处理微处理器器，是以，是以数字信号数字信号来
23、处理大量信息的器件。其工作原理是来处理大量信息的器件。其工作原理是接收接收模拟信号模拟信号，转换为，转换为0或或1的数字信号。再对数字信号进的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他行修改、删除、强化，并在其他系统芯片系统芯片中把中把数字数据数字数据解解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过远超过通用微处理器通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的，是数字化电子世界中日益重要的电电脑芯片脑芯片。它的强大数据处理能力
24、和高运行速度，是最值得。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。称道的两大特色。 化学工业出版社化学工业出版社 n n VXIbus是是VMEbus在仪器领域的扩展（在仪器领域的扩展（VMEbus extensions for Instrumentation）,是计算机操纵的模块是计算机操纵的模块化自动仪器系统。化自动仪器系统。n VMEbus（VersaModular Eurocard bus）是一种总线系）是一种总线系统，它是由统，它是由Motorola, Signetics, Mostek, 和和Thompson CSF设计的，它广泛用于全球的工业、商业及军用软件。设计
25、的，它广泛用于全球的工业、商业及军用软件。它用在交通控制系统、武器控制系统、电信交换系统、数它用在交通控制系统、武器控制系统、电信交换系统、数据捕获、视频成像和机器人等领域。据捕获、视频成像和机器人等领域。 化学工业出版社化学工业出版社 n 例题分析例题分析1. 某台具有线性关系的温度变送器,其测温范围为 0200,变送器的输出为 420mA。对这台温度变送器进行校验,得到下列数据: 输入信号 标准温度/050100150200输出信号/mA正行程读数x正正行程读数x反44.0288.1012.0112.1016.0116.092020.01试根据以上校验数据确定该仪表的变差、准确度等级与线性
26、度。23化学工业出版社化学工业出版社 n 4输入下限值输入上限值输出下限值）温度值（输出上限值I)(840200)420(50mAI解解: :该题的解题步骤如下。 (1)根据仪表的输出范围确定在各温度测试点的输出标准值x标。任一温度值的标准输出信号(mA)为 例如,当温度为50时,对应的输出应为 其余类推。 24化学工业出版社化学工业出版社 n (2)算出各测试点正、反行程时的绝对误差正与反 ,并算出正、反行程之差变 ,分别填入下表内(计算变时可不考虑符号,取正值)。 输入信号/050100150200输出信号/mA正行程读数x正反行程读数x反标准值44.02488.10812.0112.10
27、1216.0116.09162020.0120绝对误差/mA正行程正反行程反 00.0200.100.010.100.010.0900.01正反行程之差变 0.020.100.090.080.0125化学工业出版社化学工业出版社 n (3)由上表找出最大的绝对误差max ,并计算最大的相对百分误差max。由上表可知 )(10. 0maxmA%625. 0%10042010. 0max 去掉max的“”号及“%”号后,其数值为0.625 ,数值在0.51.0之间,由于该表的max已超过0.5级表所允许的允,故该表的准确度等级为1.0级。 26化学工业出版社化学工业出版社 n %625. 0%10
28、0420max变变(4)计算变差 由于该变差数值在1.0级表允许的误差范围内,故不影响表的准确度等级。注意若变差数值变max超过了绝对误差max ,则应以变max来确定仪表的准确度等级。 27化学工业出版社化学工业出版社 n (5)由计算结果可知,非线性误差的最大值fmax = 0.10 ,故线性度f为 %625. 0%10042010. 0%100max仪表量程ff注意注意 在具体校验仪表时,为了可靠起见,应适当增加测试点与实验次数,本例题只是简单列举几个数据说明问题罢了。 28化学工业出版社化学工业出版社 n 2. 某台测温仪表的测温范围为2001000,工艺上要求测温误差不能大于5,试确定应选仪表的准确度等级。 工艺上允许的相对百分误差为 %625. 0%10020010005允 要求所选的仪表的相对百分误差不能大于工艺上的允,才能保证测温误差不大于5,所以所选仪表的准确度等级应为0.5级。当然仪表的准确度等级越高,能使测温误差越小,但为了不增加投资费用,不宜选过高准确度的仪表。 29化学工业出版社化学工业出版社 n
